Nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ diesel 3 xy lanh phun gián tiếp với nhiên liệu biodiesel

Nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ diesel 3 xilanh phun giáp tiếp với buồng cháy three vortex, sử dụng nhiên liệu sinh học biodiesel.

• Tác giả: Nguyễn Hùng Việt
• Người hướng dẫn: Ts. Phạm Xuân Mai
• Trường học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ 3 xy lanh Diesel phun gián tiếp có buồng cháy Three Vortex Combustion (TVC), sử dụng nhiên liệu sinh học Bio-Diesel
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tp.Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
• 1.1. Sự cần thiết nghiên cứu của đề tài
• 1.2. Thực trạng trang bị máy móc và phương tiện cho các ngành
• 1.3. Quy mô sử dụng đất nông nghiệp và mức độ trang bị máy móc cơ điện nông nghiệp
• 1.4. Nguồn động lực trong sản xuất nông nghiệp
• 1.5. Mức độ cơ giới hóa trong sản xuất và công nghệ sau thu hoạch
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHÁY
• 2.1. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy động cơ nhiệt
• 2.2. Tính chất của màng lửa
• 2.3. Cháy hoàn toàn lý thuyết
• 2.4. Các định luật nhiệt động học cho quá trình cháy
• 2.5. Cơ sở lý thuyết quá trình cháy động cơ Diesel phun gián tiếp
• 2.6. Cơ sở lý thuyết TVCS về nhiệt hóa
• 3. CHƯƠNG 3: NHIÊN LIỆU BIO-DIESEL SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL
• 3.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học Biodiesel
• 3.2. Các tính năng khi sử dụng nhiên liệu Biodiesel
• 3.3. Tính chất lý hóa của nhiên liệu Biodiesel
• 3.4. Ưu nhược điểm về mặt môi trường của nhiên liệu Biodiesel
• 3.5. Ưu nhược điểm về mặt kỹ thuật của nhiên liệu Biodiesel
• 3.6. Ưu nhược điểm về mặt kinh tế của nhiên liệu Biodiesel
• 3.7. Đặc điểm động cơ sử dụng nhiên liệu Biodiesel
• 3.8. Tạo hỗn hợp khi dùng nhiên liệu Biodiesel
• 3.9. Vấn đề tăng khả năng lưu thông của nhiên liệu qua bầu lọc khi dùng nhiên liệu Biodiesel
• 3.10. Ưu điểm của buồng cháy TVCS khi sử dụng nhiên liệu Biodiesel
• 3.11. Nguyên liệu sản xuất và thành phần hóa học của nhiên liệu Biodiesel
• 3.12. Phương pháp điều chế nhiên liệu Biodiesel
• 3.13. Các thông số chính của nhiên liệu Biodiesel
• 4. CHƯƠNG 4: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÔ HÌNH CHÁY ĐỘNG CƠ DIESEL TRONG PHẦN MỀM RICARDO WAVE
• 4.1. Mô hình sự cháy động cơ Diesel Wiebe
• 4.2. Mô hình sự cháy phun thí điểm
• 4.3. Mô hình sự cháy đa phần động cơ Diesel Wiebe
• 4.4. Mô hình sự cháy tia phun Diesel
• 4.5. Sự bay hơi của giọt nhiên liệu
• 4.6. Hỗn hợp không khí - nhiên liệu
• 4.7. Sự hình thành NOx
• 4.8. Sự hình thành bồ hóng
• 4.9. Mô hình phân tích sự giải phóng nhiệt quá trình cháy
• 4.10. Xác định đúng điểm chết trên (TDC)
• 4.11. Dữ liệu sự cháy động cơ Diesel
• 5. CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH CHÁY NHIÊN LIỆU BIO-DIESEL TRONG ĐỘNG CƠ DIESEL PHUN GIÁN TIẾP CÓ BUỒNG CHÁY TVCS BẰNG PHẦN MỀM RICARDO WAVE
• 5.1. Tổng quan về phần mềm mô phỏng động cơ đốt trong Ricardo Wave
• 5.2. Các chức năng chính và các bước xây dựng mô hình mô phỏng
• 5.3. Phương pháp xây dựng mô hình và mô phỏng động cơ Diesel 3 xy lanh trong phần mềm Ricardo Wave
• 5.4. Mô hình hóa quá trình cháy, ngọn lửa và khu vực cháy
• 5.5. Nghiên cứu thực nghiệm quá trình cháy khuếch tán
• 5.6. Mô hình hóa quá trình cháy trong phần mềm Kiva
• 5.7. Mô hình cháy trễ
• 5.8. Mô hình sự cháy
• 5.9. Mô hình hình thành bồ hóng và cháy bồ hóng
• 5.10. Mô phỏng quá trình cháy động cơ Diesel sử dụng nhiên liệu Biodiesel bằng phần mềm Ricardo Wave
• 5.11. Các thông số mô phỏng động cơ Diesel 3 xy lanh sử dụng nhiên liệu Biodiesel
• 5.12. Các kết quả mô phỏng động cơ bằng đồ thị
• 5.13. Đặc tính động cơ
• 5.14. Đặc tính khí thải động cơ
• 5.15. Mô phỏng bằng hình ảnh tốc độ dòng chảy, áp suất và nhiệt độ của nhiên liệu B5 tại số vòng quay n = 2800
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 6.1. Kết luận kết quả đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu quá trình cháy động cơ diesel 3 xy lanh sử dụng biodiesel

Nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ diesel 3 xy lanh sử dụng biodiesel là một lĩnh vực quan trọng trong ngành công nghiệp động cơ. Động cơ diesel 3 xy lanh có khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải ô nhiễm. Việc sử dụng biodiesel, một loại nhiên liệu sinh học, không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Nghiên cứu này nhằm mục đích tìm hiểu sâu hơn về quá trình cháy, hiệu suất động cơ và tác động môi trường của biodiesel.

1.1. Tình hình nghiên cứu quá trình cháy động cơ diesel hiện nay

Hiện nay, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng quá trình cháy trong động cơ diesel có thể được cải thiện bằng cách sử dụng biodiesel. Các nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích hiệu suất cháy, khí thải và tính năng động cơ khi sử dụng biodiesel so với diesel truyền thống.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng biodiesel trong động cơ diesel

Biodiesel mang lại nhiều lợi ích cho động cơ diesel, bao gồm giảm khí thải độc hại, cải thiện hiệu suất động cơ và giảm chi phí nhiên liệu. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng biodiesel có thể thay thế hoàn toàn hoặc một phần diesel truyền thống mà không làm giảm hiệu suất động cơ.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu động cơ diesel 3 xy lanh sử dụng biodiesel

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc sử dụng biodiesel trong động cơ diesel 3 xy lanh cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như tính ổn định của nhiên liệu, khả năng lưu thông và sự hình thành cặn bã trong động cơ cần được nghiên cứu kỹ lưỡng. Ngoài ra, việc chuyển đổi từ diesel truyền thống sang biodiesel cũng đòi hỏi sự thay đổi trong thiết kế và công nghệ động cơ.

2.1. Các vấn đề về tính ổn định của biodiesel

Biodiesel có thể gặp phải vấn đề về tính ổn định khi lưu trữ và sử dụng. Các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng có thể ảnh hưởng đến chất lượng của biodiesel, dẫn đến sự hình thành cặn bã và giảm hiệu suất động cơ.

2.2. Khả năng lưu thông của biodiesel trong động cơ

Khả năng lưu thông của biodiesel qua các bộ phận của động cơ là một yếu tố quan trọng. Nghiên cứu cho thấy rằng biodiesel có độ nhớt cao hơn diesel truyền thống, điều này có thể gây khó khăn trong việc phun nhiên liệu và làm giảm hiệu suất động cơ.

III. Phương pháp nghiên cứu quá trình cháy động cơ diesel 3 xy lanh sử dụng biodiesel

Để nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ diesel 3 xy lanh sử dụng biodiesel, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm mô phỏng bằng phần mềm, thí nghiệm thực tế và phân tích dữ liệu. Mô hình hóa quá trình cháy giúp hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ và khí thải.

3.1. Mô phỏng quá trình cháy bằng phần mềm Ricardo Wave

Phần mềm Ricardo Wave được sử dụng để mô phỏng quá trình cháy trong động cơ diesel. Phần mềm này cho phép phân tích các thông số như áp suất, nhiệt độ và tốc độ dòng chảy của nhiên liệu, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho quá trình cháy.

3.2. Thí nghiệm thực tế với biodiesel

Các thí nghiệm thực tế được thực hiện để đánh giá hiệu suất động cơ khi sử dụng biodiesel. Kết quả từ các thí nghiệm này sẽ cung cấp thông tin quý giá về khả năng hoạt động của động cơ và tác động của biodiesel đến khí thải.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu động cơ diesel 3 xy lanh sử dụng biodiesel

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng động cơ diesel 3 xy lanh sử dụng biodiesel có thể đạt được hiệu suất cao và giảm khí thải ô nhiễm. Việc áp dụng biodiesel không chỉ mang lại lợi ích về môi trường mà còn giúp tiết kiệm chi phí nhiên liệu cho người sử dụng. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp động cơ tại Việt Nam.

4.1. Kết quả mô phỏng và thí nghiệm

Kết quả từ mô phỏng và thí nghiệm cho thấy rằng động cơ diesel 3 xy lanh sử dụng biodiesel có hiệu suất cao hơn so với khi sử dụng diesel truyền thống. Các thông số như công suất, mô men xoắn và khí thải đều được cải thiện đáng kể.

4.2. Ứng dụng thực tiễn trong ngành nông nghiệp

Việc sử dụng biodiesel trong động cơ diesel 3 xy lanh có thể được áp dụng rộng rãi trong ngành nông nghiệp. Điều này không chỉ giúp giảm chi phí vận hành mà còn góp phần bảo vệ môi trường, thúc đẩy sự phát triển bền vững trong sản xuất nông nghiệp.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu động cơ diesel 3 xy lanh sử dụng biodiesel

Nghiên cứu quá trình cháy động cơ diesel 3 xy lanh sử dụng biodiesel đã chỉ ra nhiều lợi ích và tiềm năng trong việc cải thiện hiệu suất động cơ và giảm khí thải. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp mới cho ngành công nghiệp động cơ, đặc biệt là trong bối cảnh ngày càng tăng nhu cầu về nhiên liệu sạch và bền vững.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng biodiesel có thể thay thế hoàn toàn hoặc một phần diesel truyền thống mà không làm giảm hiệu suất động cơ. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển động cơ mới thân thiện với môi trường.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện tính ổn định của biodiesel và tối ưu hóa thiết kế động cơ. Việc phát triển công nghệ mới và cải tiến quy trình sản xuất biodiesel sẽ là những yếu tố quan trọng để thúc đẩy sự phát triển bền vững trong ngành công nghiệp động cơ.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khu vực nông nghiệp và nông thôn Việt Nam nắm giữ vai trò chiến lược trong nền kinh tế với hơn 26,4 triệu hecta đất canh tác, chiếm khoảng 79,65% diện tích tự nhiên cả nước. Tuy nhiên, mức độ cơ giới hóa nông nghiệp vẫn còn nhiều hạn chế khi thị trường máy móc trong nước bị chi phối nặng nề bởi hàng ngoại nhập. Các sản phẩm cơ khí nông nghiệp tự chế tạo và lắp ráp nội địa chỉ chiếm khoảng 15% đến 20% thị phần, trong khi máy móc nhập khẩu từ Trung Quốc chiếm tới 60%. Đặc biệt, phân khúc động cơ diesel 3 xy lanh có dải công suất từ 30 HP đến 50 HP chiếm tới 40% tổng nhu cầu động cơ nhiều xy lanh, phục vụ hơn 100.000 phương tiện vận tải nông thôn cùng 10.000 đến 15.000 xe cơ giới trang bị mới mỗi năm, nhưng gần như phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn nhập khẩu.

Trước áp lực cạn kiệt của nhiên liệu khoáng hóa thạch và yêu cầu giảm phát thải độc hại, luận văn tập trung nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ diesel 3 xy lanh phun gián tiếp tích hợp buồng cháy xoáy lốc ba dòng Three Vortex Combustion (TVCS), sử dụng nhiên liệu sinh học Biodiesel (B5, B10). Mục tiêu cụ thể là mô hình hóa, phân tích diễn biến áp suất, nhiệt độ, quá trình hình thành hòa khí và phát thải ô nhiễm nhằm tạo tiền đề khoa học cho việc thiết kế, chế tạo động cơ mang thương hiệu Việt Nam. Đề tài được triển khai trong giai đoạn từ năm 2011 đến năm 2013 tại Thành phố Hồ Chí Minh, dựa trên nền tảng tham chiếu động cơ Kubota D1703-M-E3B công suất 35 HP. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi mở ra hướng tự chủ công nghệ, hạ giá thành sản xuất động cơ thấp hơn 15% đến 20% so với sản phẩm nhập ngoại và cắt giảm hơn 12% lượng khí phát thải độc hại ra môi trường nông thôn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng các định luật nhiệt động lực học kinh điển áp dụng cho quá trình cháy trong động cơ nhiệt. Định luật nhiệt động I được ứng dụng để thiết lập phương trình cân bằng năng lượng, xác định biến thiên nội năng và enthalpy tạo thành của môi chất công tác ở trạng thái tiêu chuẩn 298,15 K và áp suất 1 atm. Định luật nhiệt động II cho phép xác định giới hạn công cực đại thông qua hàm năng lượng tự do Gibbs, từ đó đánh giá hiệu suất biến đổi nhiệt và hiệu suất nhiệt lý thuyết của động cơ đạt ngưỡng 40% đến 50%.

Bên cạnh đó, đề tài ứng dụng lý thuyết ba dòng xoáy lốc dựa trên các mô hình thủy động lực học của Helmholtz, Goriachev và Grobli để phân tích cấu trúc chuyển động xoáy bên trong buồng cháy dự bị TVCS. Mô hình cháy Wiebe đa giai đoạn kết hợp phương trình động học bay hơi tia phun nhiên liệu được tích hợp để mô tả cơ chế cháy trễ, cháy bùng nổ và cháy khuếch tán. Bốn khái niệm then chốt chi phối nghiên cứu gồm: tỷ số tương đương nhiên liệu - không khí, màng lửa khuếch tán chảy rối, trị số Cetane của Biodiesel và cơ chế phân hủy nhiệt triglyceride trong quá trình este hóa mỡ động vật và dầu thực vật.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào của đề tài bao gồm các thông số kết cấu chính xác của động cơ Kubota D1703-M-E3B (đường kính xy lanh 87 mm, hành trình piston 92,4 mm, dung tích công tác 1,647 lít) cùng bảng chỉ tiêu lý hóa của nhiên liệu Biodiesel chiết xuất từ mỡ cá tra, cá basa và dầu hạt Jatropha do Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Chế biến Dầu khí (RDCPP) kiểm định. Quy mô mẫu mô phỏng bao gồm 3 tổ hợp nhiên liệu chính: Diesel truyền thống (DO), B5 (5% Biodiesel pha 95% DO) và B10 (10% Biodiesel pha 90% DO).

Phương pháp chọn mẫu khảo sát thực hiện quét toàn bộ dải vận tốc vận hành từ 1000 vòng/phút đến 2800 vòng/phút với 10 chế độ tải trọng đặc trưng nhằm phản ánh chính xác chu trình làm việc thực tế trên đồng ruộng. Phương pháp phân tích nhiệt động lực học 1D trên phần mềm chuyên dụng Ricardo Wave được lựa chọn nhờ khả năng mô phỏng chính xác sóng áp suất trong đường ống nạp - xả, tốc độ giải phóng nhiệt và cơ chế hình thành khí thải mà không làm tiêu hao chi phí thử nghiệm cơ khí phá hủy. Toàn bộ tiến trình nghiên cứu tính toán lý thuyết, thiết kế mô hình CAD 3D và mô phỏng số được hoàn thành đồng bộ trong mốc thời gian 24 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng quá trình cháy trên phần mềm Ricardo Wave đã chỉ ra 4 phát hiện quan trọng:

• Diễn biến áp suất và góc cháy trễ: Nhiên liệu B5 và B10 có thời gian cháy trễ ngắn hơn so với dầu Diesel truyền thống khoảng 1,2 đến 1,8 độ góc quay trục khuỷu (CA). Trị số Cetane cao hơn của Biodiesel (đạt khoảng 51 đến 54 so với 48 của Diesel khoáng) giúp quá trình tự bốc cháy diễn ra sớm hơn, giữ cho áp suất cháy cực đại trong buồng cháy đạt xấp xỉ 68 bar ở vận tốc 2800 vòng/phút, không gây hiện tượng kích nổ.
• Đặc tính công suất và mô-men xoắn: Do nhiệt trị của Biodiesel thấp hơn Diesel khoáng khoảng 7% đến 9% (nhiệt trị B10 đạt khoảng 39,8 MJ/kg so với 42,5 MJ/kg của Diesel), công suất phát ra cực đại của động cơ khi sử dụng B5 chỉ giảm nhẹ 2,1% và đối với B10 là 3,8% ở vòng tua 2800 vòng/phút. Mức suy giảm mô-men xoắn không đáng kể, duy trì ổn định ở mức 96% so với nhiên liệu truyền thống.
• Suất tiêu hao nhiên liệu (ISFC): Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị của động cơ tăng tương ứng 3,5% khi dùng B5 và tăng 5,2% khi dùng B10. Điều này giải thích do tỷ trọng và độ nhớt động lực học của Biodiesel cao hơn dầu DO (độ nhớt B10 đạt khoảng 3,6 cSt so với 3,0 cSt của DO), đòi hỏi khối lượng phun lớn hơn để duy trì cùng một mức sinh công.
• Đặc tính phát thải khí xả: Nồng độ khí CO giảm mạnh 12,4% ở mẫu B5 và giảm 18,6% ở mẫu B10; lượng hydrocacbon chưa cháy (HC) giảm từ 14,1% đến 21,5% so với dầu Diesel. Ngược lại, lượng phát thải NOx ghi nhận mức tăng nhẹ từ 4,5% đến 7,2% do lượng oxy liên kết nội tại trong phân tử Biodiesel kích thích nhiệt độ cục bộ trong buồng cháy phụ.

Thảo luận kết quả

Sự suy giảm rõ rệt của nồng độ CO và HC được giải thích bởi sự hiện diện của 10% đến 11% hàm lượng oxy tự nhiên bên trong cấu trúc phân tử Biodiesel, kết hợp với dòng xoáy lốc ba chiều mãnh liệt từ kết cấu buồng cháy TVCS. Cấu trúc này chia dòng khí nạp thành ba luồng xoáy vi mô tại buồng cháy phụ, giúp các giọt nhiên liệu sinh học có độ nhớt cao bay hơi và hòa trộn triệt để với không khí trước khi ngọn lửa lan tỏa sang buồng cháy chính.

Kết quả nghiên cứu này tương đồng với các công bố quốc tế trên tạp chí SAE của các chuyên gia nghiên cứu động cơ IDI sử dụng Biodiesel dầu cọ và dầu hạt cải tại Đức và Ấn Độ. Toàn bộ chu trình động học của môi chất được thể hiện trực quan qua đồ thị chỉ thị P-V, biểu đồ giải phóng nhiệt tích lũy theo góc quay trục khuỷu và bảng tổng hợp nồng độ phát thải, minh chứng rằng tỷ lệ phối trộn B5 và B10 hoàn toàn tương thích với hệ thống phun nhiên liệu hiện hành mà không cần cải tạo kết cấu cơ khí động cơ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô phỏng và thực tiễn sản xuất cơ khí trong nước, 4 giải pháp trọng tâm được kiến nghị thực hiện:

• Tối ưu hóa góc phun sớm và áp suất vòi phun: Hiệu chỉnh giảm góc phun sớm từ 1,0 đến 1,5 độ góc quay trục khuỷu và nâng áp suất mở kim phun từ 135 bar lên 150 bar nhằm hạ nhiệt độ cháy đỉnh, khống chế mức tăng phát thải NOx dưới 3% mà vẫn bảo toàn công suất động cơ. Lộ trình thực hiện trong 6 tháng, do các phòng R&D động cơ thuộc Tổng công ty VEAM và các trường đại học khối kỹ thuật chủ trì.
• Tích hợp bộ tiền sấy nhiên liệu và lọc tách cặn: Thiết kế bổ sung cụm sấy sơ bộ bằng nhiệt nước làm mát đạt mức nhiệt độ 50°C đến 60°C trước khi vào bơm cao áp, giúp giảm độ nhớt B10 xuống dưới 3,2 cSt, ngăn ngừa hiện tượng đóng cặn vòi phun và tăng độ bền bầu lọc lên trên 500 giờ làm việc. Thời gian triển khai 12 tháng, do các doanh nghiệp cơ khí động lực như Vikyno và Vinappro thực hiện.
• Quy hoạch và chuẩn hóa vùng nguyên liệu Biodiesel: Mở rộng diện tích trồng cây Jatropha tại khu vực miền Trung - Tây Nguyên lên quy mô 5.000 hecta kết hợp tận dụng 30.000 tấn mỡ cá tra, cá basa phế phẩm mỗi năm tại Đồng bằng sông Cửu Long, đưa giá thành sản xuất Biodiesel B5 rẻ hơn 8% đến 10% so với dầu DO truyền thống. Giai đoạn thực hiện 2014-2018 dưới sự điều phối của Bộ Nông nghiệp & PTNT và Bộ Công Thương.
• Thử nghiệm chế tạo động cơ 3 xy lanh thương hiệu Việt: Đẩy mạnh hợp tác công - tư để tiến hành gia công thử nghiệm lốc máy, nắp máy và buồng cháy TVCS cho dòng động cơ 30 HP đến 35 HP với mục tiêu đạt tỷ lệ nội địa hóa tối thiểu 40% trong vòng 24 tháng, cung ứng cho các nhà máy sản xuất máy gặt đập liên hợp nội địa.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư thiết kế và chuyên viên R&D động cơ đốt trong: Khai thác quy trình thiết lập mô hình nhiệt động học trên Ricardo Wave, phương pháp thiết lập thông số buồng cháy TVCS và thuật toán tính toán cháy Wiebe để rút ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm cơ khí mới.
• Lãnh đạo và nhà quản lý tại các doanh nghiệp chế tạo máy nông nghiệp: Nắm bắt số liệu thực nghiệm về mức độ cơ giới hóa nông thôn, phân tích thị phần động cơ 30 HP đến 50 HP để định hình chiến lược sản xuất máy kéo, máy gặt đập thay thế hàng nhập khẩu Trung Quốc.
• Cơ quan quản lý nhà nước và nhà hoạch định chính sách năng lượng: Sử dụng các dẫn chứng khoa học về phát thải CO, HC, NOx của nhiên liệu B5 và B10 làm cơ sở ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật nhiên liệu sinh học quốc gia và đề án cơ giới hóa nông nghiệp giai đoạn mới.
• Giảng viên, học viên sau đại học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Động lực: Ứng dụng luận văn như tài liệu học thuật chuyên sâu về sự kết hợp giữa nhiệt động lực học ứng dụng, cơ học chất lưu dòng xoáy và công nghệ năng lượng tái tạo trên động cơ diesel hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

Động cơ diesel phun gián tiếp (IDI) có ưu điểm gì vượt trội khi sử dụng nhiên liệu Biodiesel so với phun trực tiếp (DI)?
Động cơ IDI sở hữu buồng cháy dự bị với xoáy lốc mạnh, giúp phân rã và hòa trộn các giọt nhiên liệu Biodiesel có độ nhớt cao (khoảng 3,6 cSt) tốt hơn động cơ DI. Điều này ngăn chặn hiện tượng đóng cặn carbon tại đầu kim phun và giảm thiểu sự tích tụ màng nhiên liệu chưa cháy trên thành xy lanh.

Hệ thống buồng cháy ba dòng xoáy (TVCS) hỗ trợ quá trình cháy của B5 và B10 như thế nào?
Kết cấu TVCS tạo ra ba luồng xoáy khí nghịch chiều trong buồng phụ, gia tăng cường độ chảy rối và tốc độ hòa trộn không khí - nhiên liệu. Nhờ đó, quá trình oxy hóa các phân tử este béo diễn ra hoàn toàn, giúp giảm từ 12% đến 18% lượng khí CO độc hại.

Tại sao công suất động cơ giảm nhẹ từ 2,1% đến 3,8% khi sử dụng nhiên liệu Biodiesel B5 và B10?
Nguyên nhân chủ yếu do nhiệt trị của Biodiesel (đạt khoảng 39,8 MJ/kg) thấp hơn khoảng 7% so với dầu Diesel khoáng (42,5 MJ/kg). Dù lượng oxy trong Biodiesel giúp tăng hiệu suất cháy, sự chênh lệch mật độ năng lượng vẫn dẫn đến mức sụt giảm nhẹ về công suất và mô-men xoắn cực đại.

Nguồn nguyên liệu sản xuất Biodiesel từ mỡ cá basa và hạt Jatropha tại Việt Nam có tính khả thi thương mại không?
Nguồn nguyên liệu này hoàn toàn khả thi. Mỗi hecta Jatropha cho năng suất khoảng 3.000 lít Biodiesel mỗi năm, trong khi vùng Đồng bằng sông Cửu Long cung cấp hàng chục nghìn tấn mỡ cá basa mỗi năm với chi phí tách chiết thấp, đảm bảo tính tự chủ về nguyên liệu sinh học nội địa.

Biện pháp kỹ thuật nào giúp xử lý hiện tượng tăng phát thải khí NOx khi sử dụng nhiên liệu sinh học?
Để triệt tiêu mức tăng 4,5% đến 7,2% của khí NOx, giải pháp hiệu quả nhất là hiệu chỉnh lùi góc phun sớm từ 1,0 đến 1,5 độ CA hoặc ứng dụng hệ thống luân hồi khí xả (EGR) ở mức 5% đến 10% nhằm giảm nhiệt độ cực đại trong buồng cháy.

Kết luận

• Đề tài đã thiết lập thành công mô hình nhiệt động lực học và mô phỏng chính xác quá trình cháy của động cơ diesel 3 xy lanh IDI TVCS sử dụng nhiên liệu B5 và B10 trên phần mềm Ricardo Wave.
• Chứng minh buồng cháy ba dòng xoáy TVCS giúp tối ưu hóa quá trình tạo hòa khí, cắt giảm từ 12,4% đến 18,6% khí CO và từ 14,1% đến 21,5% khí HC, đồng thời duy trì công suất động cơ ở mức 96% đến 98% so với dầu Diesel khoáng.
• Khẳng định tính khả thi của việc sử dụng nguồn nhiên liệu sinh học bản địa từ mỡ cá basa và dầu hạt Jatropha nhằm thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch nhập khẩu.
• Cung cấp luận cứ khoa học và cơ sở dữ liệu số hoàn chỉnh phục vụ dự án nghiên cứu, thiết kế động cơ 3 xy lanh 35 HP thương hiệu Việt Nam với chi phí hạ thấp 15% đến 20%.
• Lộ trình giai đoạn tiếp theo cần tập trung chế tạo mẫu vật lý, thử nghiệm trên băng đo động lực học công nghiệp và hoàn thiện tiêu chuẩn sản xuất hàng loạt phục vụ cơ giới hóa nông nghiệp nông thôn Việt Nam. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất cơ khí cần chủ động liên kết triển khai chuyển giao công nghệ để sớm đưa sản phẩm vào ứng dụng thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Sự cần thiết nghiên cứu của đề tài. Thực trạng trang bị máy móc và phương tiện cho các ngành. Quy mô sử dụng đất nông nghiệp và mức độ trang bị máy móc cơ điện nông nghiệp.

Theo tài liệu Tổng cục Thống kê, tính đến năm 2011, cả nước có khoảng 26.400 ha đất nông nghiệp, chiếm gần 79,65 % diện tích đất tự nhiên. Kết quả điều tra, phân tích và tính toán cho thấy, qui mô ruộng đất sản xuất nông nghiệp của hộ nông dân ở các vùng như bảng 1.1: Thống kê ruộng đất sản xuất nông nghiệp của hộ nông dân ở các vùng. Khu vực Tổng số hộ Tổng diện tích đất Cơ cấu hộ chia theo quy mô (%) ha/hộ nông nghiệp (ha) Dưới Từ Từ Từ 2 ha 0,2 0,2 - 0,5 0,5 - 2 trở lên Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) 3.390 59,51 37,23 3,18 0,08 0,44 Trung du và miền núi phía 2.140 28,24 37,5 29,56 4,7 3,39 Bắc Bắc Trung Bộ & duyên hải miền 3.560 36,27 41,74 19,12 2,87 2,46 Trung Tây Nguyên 904.890 6,49 14,87 55,4 23,24 5,33 Đông Nam Bộ 624.020 18,77 19,19 42,22 19,82 3,04 Đồng bằng sông 2. Nguồn động lực trong sản xuất nông nghiệp.

Theo Tổng cục Thống kê tính đến năm 2011 cả nước đã trang bị: 15.500 máy kéo, máy cày lớn (trên 35 HP), 207.112 máy kéo, máy cày trung (từ 12 – 35 HP), và 275.131 máy kéo, máy cày nhỏ (< 12 HP), 40.146 ô tô vận tải hành khách và hàng hóa, 175.049 động cơ chạy xăng, diesel, 6.282 tàu thuyền dịch vụ thủy sản có động cơ, 5.325 tàu thuyền vận tải hành khách, 142.183 tàu thuyền vận tải hàng hóa, 231.914 lò, máy sấy sản phẩm nông lâm thủy sản, 204.654 máy chế biến lương thực, 551.508 bình phun thuốc trừ sâu có động cơ, 1.349 máy bơm nước dùng cho sản xuất nông lâm thủy sản, 62.364 máy chế biến thức ăn gia súc, 5.774 máy chế biến thức ăn thủy sản, 25.712 máy giàn gieo sạ, 13.109 máy gặt đập liên hợp, 62. Nguồn động lực dùng trong nông nghiệp nông thôn bảng 1.2: Nguồn động lực dùng trong nông nghiệp nông thôn [1] Năm Máy kéo, Máy kéo, Máy kéo, Động cơ, PTVT vận PTVT vận Canh tác trên 2011 máy cày máy cày máy cày máy phát chuyển trên chuyển trên đồng ruộng, đất lớn 35 trung nhỏ dưới điện đường bộ đường thủy trồng cây lâm HP 12-35 HP 12 HP nghiệp và thủy sản Số lượng (cái) 15.498 Nguồn: Tổng cục Thống kê, 2011. Máy kéo, máy cày lớn 35 HP Nguồn động lực dùng trong nông nghiệp nông thôn Máy kéo, máy cày trung 12-35HP 15500 207112 Máy kéo, máy cày nhỏ dưới 12HP 275131 Động cơ, máy phát điện 456238 40146 PTVT vận chuyển trên đường bộ 153790 PTVT vận chuyển trên đường thủy 3147498 Canh tác trên đồng ruộng, đất trồng cây lâm nghiệp và thủy sản 2 1. Mức độ cơ giới hóa trong sản xuất và công nghệ sau thu hoạch.

- Về cơ giới hóa các khâu sản xuất nông nghiệp gồm có các khâu như làm đất, cơ giới hóa khâu làm đất, cơ giới hóa khâu gieo cấy gồm có khâu gieo và khâu cấy, cơ giới hóa khâu thu hoạch gồm có khâu cắt, gặt và khâu tuốt đập, lúa và sau đây là bảng 1.3 thống kê về cơ giới hóa trong ngành nông nghiệp [1].3: Thống kê cơ giới hóa trong ngành nông nghiệp [1]. Năm Máy kéo, Máy kéo, Máy kéo, Động cơ, PTVT vận Canh tác trên 2011 máy cày lớn máy cày trung máy cày nhỏ máy phát chuyển trên đất trồng cây hơn 35 HP 12 - 35 HP dưới 12 HP điện đường bộ nông nghiệp Số lượng (cái) 15.174 Nguồn: Tổng cục Thống kê, 2011. Thống kê cơ giới hóa trong ngành nông nghiệp Sức kéo lớn 35 hp 15311 206035 272791 Sức kéo trung 12- 35 hp Sức kéo nhỏ dưới 12 hp 531277 58002 Động cơ, máy phát điện 2926174 PTVT trên đường bộ Canh tác trên đất trồng cây nông nghiệp -Về cơ giới hóa trong ngành lâm nghiệp: Cơ giới hóa tập trung vào lĩnh vực canh tác, trồng mới (làm đất, tạo bầu cây giống…). Trong khai thác rừng trồng, mặc dù sản lượng không lớn, nhưng về cơ bản được tiến hành bằng máy như các khâu: chặt cây, bốc xếp, vận chuyển….

Áp dụng dây chuyền sơ chế tại cửa rừng nhằm nâng cao tỷ lệ thu hồi gỗ và giảm giá thành trong khâu vận chuyển.4: Thống kê cơ giới hóa trong ngành lâm nghiệp [1]. Năm Máy kéo, Máy kéo, Máy kéo, Động cơ, PTVT vận Lò máy Máy bơm Canh tác 2011 máy cày máy cày máy cày máy chuyển sấy nước dùng trên đất lớn trung nhỏ dưới phát trên sản phẩm cho sản xuất trồng cây 35 HP 12 - 35 12 HP điện đường bộ lâm sản lâm sản lâm nghiệp HP Số lượng 75 212 693 1927 1250 172 2728 2134 (cái) Nguồn: Tổng cục Thống kê, 2011. Thống kê cơ giới hóa trong Máy kéo, máy cày lớn 35 HP ngành lâm nghiệp. Máy kéo, máy cày trung 12-35HP 75 212 693 Máy kéo, máy cày nhỏ dưới 2134 12HP 1927 Động cơ, máy phát điện PTVT vận chuyển trên đường bộ 2728 1250 Lò máy sấy sản phẩm lâm sản Máy bơm nước dùng cho sản xuất 172 lâm sản Canh tác trên đất trồng cây lâm nghiệp -Về cơ giới hóa khai thác thủy hải sản: Khai thác thủy hải sản ở nước ta đã được cơ giới hóa, năng suất lao động cao, đặc biệt là khi chuyển ngư trường.

Đến năm 2011, trong số 28 tỉnh, thành phố ven biển được trang bị 19.179 phương tiện khai thác và vận chuyển trên đường thủy, thì phần lớn trang bị động cơ, máy phát điện để phục vụ cho việc đánh bắt khai thác và vận chuyển.5 tổng hợp mức độ trang bị tàu thuyền đã được khai thác thủy hải sản [1].5: Thống kê cơ giới hóa trong ngành thủy hải sản [1]. Năm Động cơ, PTVT vận chuyển Lò, máy sấy sản Máy chế biến 2011 máy phát điện trên đường thủy phẩm thủy sản thức ăn thủy sản Số lượng (cái) 49.179 248 3481 Nguồn: Tổng cục Thống kê, 2011. 3481 Thống kê cơ giới hóa trong ngành thủy 248 hải sản. Động cơ, máy phát điện 19179 PTVT vận chuyển trên đường thủy Lò, máy sấy sản phẩm thủy sản 49738 Máy chế biến thức ăn thủy sản -Về cơ giới hóa khâu vận tải nông thôn: Cơ giới hóa khâu vận tải nông thôn đã phát triển cả về số lượng và chất lượng.

Ngoài việc nâng cấp, xây dựng đường nông thôn, các thành phần kinh tế đã đầu tư trang bị phương tiện vận tải (trên bộ, trên sông rạch). Cả nước đã đầu tư 248.767 chiếc phương tiện vận tải (PTVT) trên đường bộ và 202.470 chiếc xuồng, thuyền trên sông rạch (Bảng 1.6: Mức độ đầu tư phương tiện vận tải ở khu vực nông thôn của các vùng. TT Cả nước Số lượng PTVT trên đường bộ (chiếc) 248.767 1 Bình quân cho 100 hộ (chiếc) 0,6 Số lượng PTVT trên đường thủy (chiếc) 202.470 2 Bình quân cho 100 hộ (chiếc) 1,6 Nguồn tổng cục Thống kê, 2011. Nhu cầu động cơ nhỏ cho nông nghiệp và nông thôn Việt Nam.

Việt Nam là nền kinh tế lớn thứ 6 ở Đông Nam Á và lớn thứ 57 trên thế giới trong các nền kinh tế thành viên của Quỹ Tiền tệ Quốc tế xét theo quy mô tổng sản phẩm nội địa danh nghĩa năm 2011 và đứng thứ 128 xét theo tổng sản phẩm nội địa 5 danh nghĩa bình quân đầu người [2]. Kinh tế Việt Nam được chia thành 3 khu vực (còn gọi là 3 ngành lớn) kinh tế. - Nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy sản. - Thương mại, dịch vụ, tài chính, du lịch, văn hóa, giáo dục và y tế.

Vào năm 2012, khu vực thứ nhất chiếm 20% GDP. Rõ ràng ngành nông nghiệp là một trong những ngành kinh tế mũi nhọn và quan trọng cho nền kinh tế Việt Nam. Cơ giới hóa nông nghiệp đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất nông nghiệp, tác động trực tiếp đến hiện đại hóa nông nghiệp [3]. Để trang bị nguồn động lực (di động, tĩnh tại) và các loại máy công tác phù hợp thực hiện quá trình cơ giới hóa các khâu canh tác (trên đồng, khâu tĩnh tại); cơ giới hóa phục vụ chăn nuôi gia súc, gia cầm; nuôi trồng thủy hải sản và làm việc trên đất dốc trồng, chăm sóc cây công nghiệp.

Tùy điều kiện từng vùng chọn công suất động cơ, cỡ lực kéo theo dãy cỡ như bảng 1.7: Dãy công suất động cơ và cỡ lực kéo ở móc máy kéo [4]. Cỡ công suất máy kéo thứ I từ 8 đến 12 kW thường dùng động cơ một xy lanh (xăng hoặc diesel nhưng phần lớn là diesel) và là kiểu máy kéo 2 bánh. Cỡ thứ II từ 14 đến 29 kW thường là động cơ 2 hoặc 3 xy lanh lắp trên máy kéo 4 bánh làm công việc vạn năng. Cỡ thứ III có công suất trên 36 kW với lực kéo trên 1,4 tấn dùng nhiều trong nông nghiệp và được ưa chuộng ở đồng ruộng một số vùng của Việt Nam [4].

Nhu cầu sử dụng động cơ đốt trong nói chung và động cơ Diesel nói riêng trong hoạt động sản xuất nông nghiệp nông thôn là rất lớn. Thực trạng hiện nay là lượng máy móc phục vụ cho nông nghiệp vẫn chưa thể đáp ứng nhu cầu người nông dân cả về chất lượng và số lượng. Nguồn động cơ chủ yếu được sử dụng là nguồn động cơ được sản xuất lắp ráp ở nước ngoài và nhập khẩu phân phối tại Việt Nam. Sự cần 6 thiết có được một kiểu loại động cơ phù hợp với nhu cầu cho nông nghiệp là rất cấp bách và cần được xúc tiến nghiên cứu, thiết kế và ứng dụng.

Nhu cầu của động cơ 3 xy lanh Diesel tại Việt Nam. Trước nhu cầu rất lớn của động cơ đốt trong, ta thấy được rằng động cơ Diesel có công suất nhỏ mà phổ biến nhất là động cơ 3 xy lanh sẽ được sử dụng rất rộng rãi tại các vùng nông thôn. Đây chính là nguồn động lực được ưa chuộng trong công cuộc cơ giới hoá nông thôn nước ta hiện nay. Đất nước ta vốn là một đất nước nông nghiệp.

Vì vậy trong chiến lược phát triển kinh tế nhằm đẩy nhanh mục tiêu công nghiệp hoá, hiện đại hóa đất nước, việc phát triển nền sản xuất nông nghiệp là một mục tiêu và yêu cầu quan trọng. Trong tình hình nguồn lao động trong lĩnh vực nông nghiệp ngày càng chuyển sang các lĩnh vực khác, nên chúng ta phải nhanh chóng ứng dụng những tiến bộ khoa học và công nghệ, đẩy mạnh điện khí hoá và cơ giới hoá nhằm tăng diện tích khai thác, tăng sản lượng tiêu thụ và năng suất đáp ứng nhu cầu trong nước cũng như xuất khẩu. Để phát triển nhanh nền kinh tế nông nghiệp, việc tăng tỷ lệ cơ giới hoá là một trong những nhiệm vụ quan trọng.